摘要
虛擬現實與增強現實設備的改進以及技術的進步，正在改變我們對各種數字信息感知和交互的方式，使得許多場景可以通過頭戴式設備將用戶置身于理想的視覺感官環境之中。近年來，虛擬現實/增強現實在眼科領域中的研究主要體現在臨床應用及教學中，本文分別從視力訓練及弱視 治療、近視防控、眼調節及輻輳功能、斜視診斷、眼科手術輔助和眼科教學領域的相關研究進行綜述，并結合其在眼健康中的相關參數進行闡述。
【關鍵詞】：虛擬現實；增強現實；眼科臨床；眼科教學；眼健康
基金項目：國家自然科學基金（）；北京市教育委員會科研計劃（KM2）；北京市百千萬人才工程（2020027）；順義區“北京市科技成果轉化統籌協調與服務平臺”建設基金（）
隨著計算機硬件及軟件的不斷發展進步，基于計算機圖像，多媒體和多傳感器的計算機人機交互界面技術也隨之得到了快速發展。特別是虛擬現實（virtual reality，VR）與增強現實（ reality，AR）技術，在娛樂、醫療、教育等領域的應用與研究越來越多，VR/AR設備隨著技術的革新，在眼科臨床及教學領域的應用也逐漸得到了重視。
1、VR/AR設備介紹
VR是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供用戶關于視覺等感官的模擬，讓用戶仿佛身歷其境，可以即時、沒有限制地觀察三維空間內的事物。用戶進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的三維世界影像傳回使用戶產生臨場感［1］。
VR的三維顯示是基于雙目視差原理，采用頭戴式顯示設備的方式實現的。從技術的角度來講，虛擬現實系統具有三個基本特征：沉浸-交互-構想。具體如下：（1）沉浸感：是指使用者以第1視角處于完全虛擬的環境內，而不是像其他3D顯示設備那樣通過第3視角來進行旁觀，故有更強的現場感；（2）交互性：是指使用者可以與構建的虛擬環境進行互動，例如在虛擬的人體上進行手術操作；（3）構想性：借助所構建的那些常規無法到達的或抽象的場景，使用者可以身處任何環境，從而擴展視野和想象力［2］。例如從眼球內部觀看眼球解剖結構，跟隨房水流動來感受房水循環，從不同角度來展示復雜的視路走行等［3］。
AR技術源于頭戴式顯示設備設計理念［4］，其將虛擬信息通過計算機技術應用到真實世界，將虛擬世界呈現在同一畫面中。具備虛實結合、實時交互和三維匹配（三維空間中增添定位虛擬物體）三大特點。
相比于VR，AR能夠擴大和增強用戶感知周圍環境的能力［5］，而不需要用戶在現實世界和屏幕之間相互切換［6］。VR與AR之間并無完全清晰的界限，如給VR設備添加攝像頭并對現實環境進行實時建模，然后再將其應用于VR環境中，則VR設備可以實現AR的功能，即VR和AR在一定條件下可相互融合［7］。《工業和信息化部關于加快推進虛擬現實產業發展的指導意見》（工信部電子〔2018〕276號）提到，從廣義上講，虛擬現實包括了增強現實［8］。
2、VR/AR在眼科臨床領域的應用研究
1.在視力訓練及弱視治療領域的研究：Takda等［9］納入了32例20歲左右的近視青年及12名45歲的中年，通過觀看VR視頻進行視力訓練，每日1次，每次6min，連續5d訓練后，發現裸眼視力顯著提升并且近視屈光度較之前變小。Shibata等［10］的研究同樣有類似發現，他們通過使用動態光學自適應的VR設備，發現可以顯著提升視疲勞患者的視力。VR用于弱視兒童的訓練治療已得到廣泛認可［11?14］。鑒于VR的沉浸感及其對腦神經功能恢復重建的優勢，其可以更好地應用于弱視治療。目前國際上提出“大腦神經知覺學習”“神經側向交互”“神經視覺矯治”及“視覺空間交互”等神經治療理論，支持通過VR訓練方法治療弱視和視知覺缺損［15］。其中最具代表性為Cleary等［16］的研究，發現只需經過1周左右的VR訓練，平均年齡為8歲左右兒童的視敏度和低對比視敏度均較前有顯著提升。Ding和Levi［17］還發現，VR設備還有助于提高成年弱視患者的雙眼立體視覺的建立。Hali?ka等［11］在2020年的最新研究，亦發現只需經過8次左右的Oculus Rift 3D VR訓練，每次1h，平均年齡為34歲左右的成年人，雙眼視力較之前有顯著提高。
2. 在近視領域的研究：早些年的研究發現，通過觀看VR立體視頻，可以模擬視遠、視近活動，進而可以訓練睫狀肌功能，解除睫狀肌痙攣，進而可以緩解視疲勞，緩解近視進展［18?19］。Ha等［20］研究發現佩戴VR設備30min后，會短暫導致近視的進展，但這種影響可以在40min后完全恢復。近幾年，陸續有報道提出VR設備有可能用于控制近視。和 ［21］發現人眼屈光度、雙眼視功能（如立體視和調節幅度）在佩戴VR設備后無明顯改變，而人眼脈絡膜厚度會變厚，脈絡膜增厚有可能與近視性離焦相關，因此有可能延緩近視的發展。從基礎研究的發現來看，在近視動物模型中，遠視性離焦可以加速近視發展，近視性離焦點減緩近視發展［22］，同時，增加戶外活動又可以減緩近視的發生，比如兒童每天在>10000光照度的光強度下活動3h，可以有效減緩近視的發生［23?26］。
針對戶外運動可以緩解近視的原因，目前國際上比較認可有兩個方面：一是因為高強度光促進多巴胺分泌，進而延緩近視發展；二是由于高強度的光可以誘發瞳孔縮小，進而增加景深，從而改善了視覺模糊的情況，于是延緩近視的出現。因而，在下一步，有可能通過VR設備中眼球追蹤技術、注視點渲染技術和焦面顯示技術，更好地調控周邊視網膜的離焦情況，再結合VR設備可以控制光亮度和光譜成分，進而達到控制近視進展作用［27］。
3.在眼調節和聚散（輻輳）功能領域的研究：目前有很多學者提出佩戴VR設備時，調節與輻輳的不一致可能導致出現視疲勞、干眼、一過性調節性斜視、視頻終端綜合征等功能性眼病［28］。Mohamed Elias等［29］給34名青年人佩戴VR眼鏡，分別在佩戴前和佩戴30 min后測量雙眼調節力和聚散功能，發現使用VR設備后，會導致眼部調節超前，同時調節型集合與調節（ / ，AC/A）比值降低，雙眼聚散功能減弱，亦發現如果用VR設備看虛擬近景時間太久，會導致輕度的外斜視。Godinez等［28］對比研究了20名年輕人（18~24歲）對頭戴VR設備和傳統電腦顯示的不同反應，發現VR設備會導致聚散范圍檢查中的BO方向模糊點（Blur?point）變大（視近和視遠），調節幅度（ ）輕度增加，但差異無統計學意義。Yoon等［30］的研究同樣發現佩戴VR設備30min后，雖然眼部屈光度不會改變，但集合近點（near point of ，NPC）和調節近點（near point of ，NPA）會增加。雖然有關VR使用對視覺功能的影響尚不明確，但佩戴VR設備后，對人眼調節功能和聚散功能的影響仍為其今后安全性檢測的一個重要方向。
4.在斜視領域的研究：相比于弱視，較少研究將VR用于斜視研究。李雪等［31］在2018年的研究發現，通過使用視知覺模塊智能平臺配以VR設備，給25例間歇性外斜視患者（5例成人，20例兒童）進行6個月的訓練后，其斜視度數減少或消失，立體視建立，同時不伴有屈光度數的改變。Miao等［32］的研究通過比較VR設備和醫生分別對17例不同患者（5個正位，12個外斜視）眼球偏斜程度的診斷，發現VR設備可以較好地評估眼球斜視的程度，和醫生的診斷結果基本保持一致，并肯定了VR設備的準確性及有效性。同時，Moon等［33］的研究通過對14名年輕醫生（平均年齡為30歲）進行至少30場VR訓練后發現，VR訓練可在短期內提高眼科醫生對內斜視和外斜視的臨床診斷技能，并肯定了VR應用程序的有效性和便捷性。因此，VR設備有望將來應用于斜視的輔助診斷中。
5.在眼科手術輔助領域的研究：對復雜的眼眶腫瘤手術，首先可以借助CT、MRI、造影的結果來構建腫瘤與周邊組織的3D模型，再通過VR/AR 的方式進行術前模擬，了解其位置關系，為下一步更好地規劃手術方案做準備［34?35］。隨著技術進步，有望將來通過VR技術實現遠程手術，如 公司“VR手術機器人”的研究項目在2014年獲得了歐洲視網膜專家學會頒發的最優創新成果獎，美國佐治亞醫學院也已嘗試使用眼科手術機器人來進行遠程手術［36］。基于AR技術的平臺亦應用于眼底激光手術中，其可以協助檢測黃斑和視盤區域，并將這些區域劃定為保護區域，避免因操作者失誤導致激光對這些區域造成損傷，也可以增加手術醫生的自信心［37］。
3、VR/AR在眼科教學領域的研究
利用VR/AR技術構建正常人眼解剖結構的模擬系統，創造出的圖像兼具立體感和真實感，同時還可以做到旋轉、 放大、縮小、拉近、拉遠等，可以更為直觀地觀察眼球內部結構［38］。同時，Jin等［38］的研究亦指出，利用 VR/AR技術可以構建各種三維立體場景，進而模擬各種不同眼科疾病癥狀和體征，如視覺模糊、視物變形、視野缺損等，有助于輔助對學生的眼病學課程的教學。由于長時間使用VR/AR設備可能會導致視疲勞，因此，通過對VR/AR技術設備的改良，減輕學生使用后的視疲勞，是未來發展的一個重要方向。
在未來，VR/AR技術在模擬眼科疾病教學上有很廣泛的應用前景，也可以通過此技術建立標準化病人庫，用于眼科教學和考核［39］。而在眼科手術教學中使用最多的是Eye SI（VRmagic，Germany）手術模擬器，此模擬器可在顯微鏡下模擬手術中三維圖像，對白內障和玻璃體手術進行模擬和培訓，具有使用簡單可控、仿真度高且能反復操作等優點。可顯著提高眼科住院醫在白內障手術中特別是撕囊和抗抖這部分的技術程度［40］，并且與現實中的手術操作也有顯著的相關性［41］。該手術模擬系統也可支持玻璃體手術的培 訓。使用者通過該系統可以進行眼內基本顯微操作訓練，如玻璃體切除、眼內激光、制作玻璃體后脫離、剝除內界膜 等操作，通過訓練，可以不同程度地提高手術技巧，但是能 否順利轉換到真實患者手術中，還有待進一步研究［42］。
目前大部分研究都是VR技術與眼科疾病的相關報道，AR技術僅初步應用在眼科教學和手術導航，相信在未來，AR技術與眼科學的結合將會有更加廣闊的天地。
4、可能存在的眼部佩戴風險
過度使用VR/AR可能對眼健康造成一定傷害。目前最廣為人知的是一種稱之為“VR暈”的癥狀，即連續使用VR/AR產品超過一段時間（一般>40min），即會產生類似暈車、暈船般頭暈目眩、惡心等癥狀［29，43］。這種癥狀是由于視覺所看到的影像與身體內部感知到的狀況不一致所造成［44］。同時亦有研究發現，佩戴AR設備后出現的這種類似“VR暈”癥狀，相對佩戴VR設備更少［45］。
目前，VR眩暈產生機制尚未完全為人所知，結合雙眼視功能來看，業界公認眩暈感的產生可能主要源自三方面。一是由于顯示畫質，紗窗、拖尾、閃爍等過低的畫面質量引發的視覺疲勞進而引發眩暈，因此，提高屏幕分辨率、響應時間、刷新率，降低頭動和視野延遲（MTP）應成為技術關鍵；二是視覺與其他感官通道的沖突，因為VR/AR產品在眼部應用時，要強化視覺與聽覺、觸覺、前庭系統、動作反饋的協同一致；三是輻輳調節沖突（ ，VAC），佩戴VR/AR眼鏡后，雙眼在產生立體視的同時，雙目焦點調節與感知的視覺深度或距離并不匹配［46?47］。因而VR/AR頭顯難以如實反映類似現實世界中觀看遠近物體的清晰或者模糊變化。為了解決這一問題，VR/AR設備在眼部應用時，最好選擇非固定焦深的多焦點顯示（ display）或可變焦顯示（ display）。基于VR/AR設備可能帶來的眼部潛在風險，有作者建議雙眼屈光度介于-6.00D至+6.00D，雙眼矯正視力可以達到0.8及以上，不存在屈光參差且雙眼視功能正常者均可以較好地適應VR/AR設備，這些佩戴者可以感受到較為清晰 的畫面質量，并具備較好的舒適度［29?30］，同時也有作者指出人眼屈光度在佩戴VR設備30min后無明顯改變［21，30］。
5、可能影響眼健康的VR/AR眼鏡性能參數
（一）與畫面顯示相關的參數
1.光譜成分評估：光是一種電磁輻射，在適當的照射情況下，無論紫外光、可見光還是紅外光，都可以對人體產生積極的生理影響。然而，在照射過度的情況下，光輻射也可能對人眼造成一定的損傷［48］。見表1。
近年來，低藍光（415~455nm）對眼健康影響的報道相對較多。以前的科學研究表明，藍光可能通過光化學機制損傷視網膜的光感受器和色素上皮細胞，進而逐漸影響視網膜的退行性變，長期影響之后，可能與老年黃斑變性（ macular ，AMD）發生發展相關［49?50］。亦有研究結果表明，晶狀體若長時間接觸到過度的藍光（400~500nm），就會引發蛋白質“變性”，嚴重時會出現白內障［51］。除此之外，人眼在藍光的照射下，人體體溫會有所上升［52］；相應的生物鐘相位會有所延遲［52?53］。因此，低藍光測試對眼健康的發展至關重要。
2.屏幕光亮度應可以調節：VR立體設備顯示器通過高頻開關電源的方式進行亮度調節，因此亮度的快速變化（如閃爍）可能會引起視疲勞。基于先前發表的文獻和ISO標準，電子顯示器的屏幕亮度和環境強度與視疲勞直接相關。ISO9241?303標準推薦，當水平照度是500lx，屏幕亮度最好控制100~150cd/m2的范圍內。
3.無頻閃測試：即產品無明顯的可見和不可見的閃爍，不會對人眼造成負擔。
4.顯示清晰度：設計人眼能夠清晰對焦，并且圖像顯示清晰度接近人眼解析能力上限的光學系統，避免瞳孔嘗試對焦不清晰而引發的視疲勞。
5.雙目垂直視場差異：兩個顯示器垂直方向位姿存在差異，可能引起雙目不能合焦，因此在VR設備的組裝和指導過程中，應該嚴格執行雙顯示器組裝的標定流程。
6.雙目水平視場重疊：適當降低雙目水平視場重合度。可以提高有效顯示區域，保持立體視的舒適度。
7.建議在60°視角內至少達到2K要求，最好可以實現4K單眼分辨率、90~120 Hz刷新屏幕率［54］。
8.視場角（field of view，FOV）：在顯示系統中，顯示器水平方向上的邊緣與觀察點（眼睛）連線的夾角。人類視覺是由兩部分視場組成的。正常來說，人們兩只眼睛水平方向上的總視場，即雙目FOV，有近200°，中間部分大概有約120°是雙眼視覺區域，兩側各40°是單眼視覺區域。所以要想提供深度沉浸的VR效果，VR設備需要提供近似人眼的視場角。目前高端VR頭顯可以水平方向達到90~120度的廣視場角和20~30+的角分辨率（pixel per degree，PPD）［54］。
9.畸變：VR之所以能夠給用戶帶來“沉浸感”，是因為在VR屏幕前放置的對應左右眼的兩個鏡片。正是由于這兩個透鏡的存在，才使得我們在觀看VR時有了較大的FOV和景深，但是也由此帶來了“畸變”。畸變的產生是由于視物與鏡頭主光軸存在垂直偏差，鏡頭焦距的不同會使得成像容易產生不同的畸變。對球面鏡片來說這種畸變是不可避免的，并且隨著FOV的增大，邊緣圖像畸變會更加明顯。根據目前批準的VR設備，全視場最大畸變不超過40%，60°視場角內最大畸變不超過15%，40°視場角內最大畸變不超過5%［55］。
（二）其他與設備硬件相關的參數
在近眼顯示中，屏幕分辨率，光學相關的光學亮度、多焦點顯示及可變焦顯示均與視網膜成像息息相關，進而影響眼健康，甚至影響青少年眼部屈光度及眼軸長度的改變。感知交互中的追蹤定位，尤其是眼動追蹤可能直接參與雙眼視功能的調節，有可能影響眼外肌功能，進而與眼斜弱視相關。近眼顯示技術中提升沉浸感與控制眩暈應該是影響眼健康的VR眼鏡性能重要參數之一。高角分辨率與廣視場角顯示可以提升虛擬現實沉浸感。發展符合人眼雙目視覺特性的近眼顯示技術應該是VR眩暈控制的技術的關鍵。
追蹤定位是VR/AR在感知交互領域的核心技術。由于眼球運動速度高達每秒900°，因此，精準化的眼球追蹤，即準確追蹤瞳孔中心成為了技術挑戰，也是VR在眼科應用的重要指標。同時，VR設備要具備可調節的焦點距離：0.33~6m，從而更好地匹配人眼調節功能［32］；瞳孔距離最好可調節。
（三）其他與人體工程學相關的指標
VR/AR設備整體設計應符合人體工程學。重量相對輕便；盡量體積小，光學扭曲盡量小。同時，為了適應兒童的佩戴，設備大小可以調節。未來的產品應該努力達到114°的水平視野以覆蓋雙目視覺并啟用立體視覺。爭取讓VR/AR設備成為身體的自然延伸。讓佩戴者擁有他們習慣的正常視線，且可以將虛擬內容放置在佩戴者看起來的任何地方。此外，更廣泛的視野也有利于緩解視疲勞和頭痛。